具有规则且垂直于表面微孔结构炭膜的可控性制备研究

微孔炭膜（MCM）是一种新型高性能气体分离膜材料，已成为化学工程、炭材料和膜分离科学等交叉领域的研究热点。但如何突破其渗透性和选择性之间的平衡关系，来提高性价比已成为限制其发展的关键问题。本项目从微孔结构形成机制出发，采用外场定向控制前驱体中规则多孔添加剂和多孔基质诱导的两种方法，提出制备具有规则且垂直于表面微孔结构MCM。具有这种微孔结构的MCM，减小了气体渗透阻力，提高了对分子大小的识别能力，从而解决渗透性和选择性之间的矛盾。通过建立数学模型模拟MCM的微孔结构和分离过程，结合实验和模拟结果，揭示各种因素对MCM微孔结构和气体分离性能影响的内在规律，提出具有规则且垂直表面微孔结构炭膜的可控性制备的基本理论。本研究工作的成果可丰富炭膜制备技术的基础理论，特别是优化微结构和提高分离性能方面，对发展膜科学理论，促进炭膜的产业化推广应用，具有重要的科学意义和实际应用价值。

作为一种新型高性能气体分离膜材料，微孔炭膜已成为化学工程、炭材料和膜分离科学等交叉领域的研究热点。但如何突破其渗透性与选择性之间平衡关系，进而提高性价比已成为限制其发展的关键问题。本项目从微孔结构决定气体分离性能的角度出发，提出制备具有规则且垂直于表面微孔结构炭膜，简称有序微孔炭膜（OMCM）。首先，研究了前驱体热解机理及成膜性，为OMCM的制备提供重要依据；再分别采用基质诱导作用和外加场定向控制两种方案，辅以有机自组装和无机硬模板造孔剂等成膜过程条件实现制备并调控OMCM孔结构及气体分离性能的目的，并发掘基质诱导法与外场定向控制法的调控规律。在基质诱导-有机自组装法中，OMCM基体内孔结构包括基质诱导作用下的自组装结构热解所衍生的有序孔为主，及少部分蠕虫状的无序态孔为辅，二者可互相修饰，分别为OMCM提供较高的渗透性与选择性。在外场定向-无机模板法中，OMCM基体内也同时存在着包括在磁场作用下形成的聚合物前驱体热解后衍生得蠕虫状无序孔及嵌在其内由造孔剂衍生的有序孔两种孔结构共存。这两种孔分别使最终OMCM对气体混合物的分离选择性和渗透性得到强化。通过调整两种制备方法中的制备因素，不仅使OMCM的气体分离性能突破了传统炭膜的Robeson上界限，也可实现OMCM孔结构与气体分离性能的有效调控。在此基础上，从拓展OMCM的应用领域提高炭膜性价比的角度出发，开发了OMCM在膜催化反应过程，并用于甲醇水蒸气重整制氢反应。本项目的研究成果不仅极大地丰富了炭膜的制备技术与理论，也为炭膜的发展与应用奠定了基础。